平行系统在反导指挥控制中的应用*

陈 淼,孙 强,王东科

(中国电子科技集团公司第二十八研究所,江苏 南京 210007)

平行系统在反导指挥控制中的应用*

陈 淼,孙 强,王东科

(中国电子科技集团公司第二十八研究所,江苏 南京 210007)

为提高反导指挥决策效率,构建反导指控平行系统,实现作战方案在线推演与评估。根据作战方案在线评估功能需求,将平等系统思想方法运用到反导指挥控制过程中,并结合反导作战指挥控制需求,构建了平行系统体系结构。然后分析反导指控体系平行系统运行原理、功能,作战方案推演过程中的信息交互关系,并详细分析了平行系统能力需求及关键技术。

平行系统;指控;反导;信息交互;建模

反导又叫弹道导弹防御或弹道导弹拦截,是典型的大跨度、高动态、快节奏、强对抗的体系作战。任何单一传感器和武器能力有限,需要将部署于空天地海战场的各类预警探测/空间监视、指挥控制和拦截武器等有限资源有机连为一体,形成作战体系以发挥装备能力,实现反导作战体系整体效能最大化[1]。

截至目前,全球现役的各型弹道导弹已有40余种,达数万枚之多,我国周边已成为战术弹道导弹扩散较为严重的地区,已有数个国家和地区寻求各种渠道谋求和发展弹道导弹,对我国国家安全构成了潜在的巨大的威胁,也对我反导体系形成了巨大的挑战[2-3]。

美国在战略反导方面处在全球领先地位,至今已研制并部署基于不同平台的导弹防御系统,其弹道导弹防御系统(Ballistic Missile Defense system,BMDS)包括反导武器系统、传感器系统、指挥控制作战管理和通信系统。其中,反导武器系统包括多段多层拦截武器系统,如地基中段反导系统、区域高层反导武器系统(萨德)、海基宙斯盾系统等。传感器系统由安装在陆、海、空、天各种平台的雷达、红外、光学传感器组成,如空间跟踪与监视系统、国防支援计划卫星、天基红外系统、改进预警雷达和X波段雷达等。美国至今已成功进行数次导弹拦截试验,对世界其他国家反导体系建设具有重要的借鉴与指导价值[4-5]。

俄罗斯战略反导系统——莫斯科反导系统是俄罗斯唯一的战略反导系统,也是世界上第一个可实战应用的反导系统,由预警系统、指控通信系统、武器系统组成,可在大气层内外两层拦截,形成了较强的战略反导作战体系。

综上所述,反导作战因拦截目标质量大、速度快、射程远、破坏力强等特点,需要由预警探测系统、指挥控制系统、拦截武器系统相互配合,共同完成,而并不仅依靠拦截武器[6]。因此,实现弹道导弹防御,既要具备相应功能的探测、拦截装备，还要具备完善的指挥控制系统,二者缺一不可。一般来讲,作战指挥过程主要包括情报处理、战场态势分析、作战方案制定、武器控制等几个阶段,核心部分为作战方案制定环节。作战方案对作战效能甚至作战成败起到关键作用,但作战方案的制定过于依赖指挥员的经验和指挥能力,尽管可以运用辅助决策技术,但仍在很大程度上依赖人为因素,增加了战争的不可预见性和未知性,也增加了指挥人员和作战人员的心理压力。在这种情形下,若能在作战方案生成后、实施前对其进行推演评估,得出评估方案效能指标,可极大减轻指挥人员心理压力,这也是最近一段时间成为研究热点的在线评估思想,即在作战指挥环节构建平行执行的人工系统,以实时战场态势和作战方案为输入数据,按照上级指示的作战要求和准则,如最大杀伤率、最小突防概率、保卫目标安全性等,完成对弹道目标弹道外推预测及作战方案评估,达到辅助决策的目的。平行系统包含两个因素:战场实体建模和推演算法(交战规则),是基于仿真技术实现的一种人工系统。

目前,通过查阅文献,还未见对作战方案进行实施前评估的研究,本文对平行系统在反导作战指挥环节的应用进行论证性研究。本文论证的作战方案平行推演评估与对部署方案的评估研究不同,部署方案评估属于战前评估,依据敌情和我情两方面因素,其中敌情因素是通过分析设定的假定情况,包括敌目标可能来袭方向、攻击意图、目标属性、数量、袭击平均密度等;我情因素包括我方保卫目标信息、反导武器信息、可供部署的阵地信息等。依据这两方面因素,根据要求的作战准则(杀伤率、突防率等)生成部署方案,再对该方案进行推演,计算效能指标,优选出部署方案供作战指挥使用。而本文提出的对作战方案的推演是在方案生成后依据当前态势,计算得出效能指标,对时效性要求较高。

中科院王飞跃教授科研团队致力于平行系统研究,并在国内较早提出平行系统思想,即人工社会(Artificial Societies)、计算实现(Computational Experiments)、平行执行(Parallel Execution)的ACP方法,为复杂系统的研究提供了新的思路[7],并在该领域进行了持续深入的研究[8]。之后,陆续有学者将平行系统理念引入军事领域,进行了一些应用研究[9-10]。其中,文献[10]研究了C4ISR系统决策支持问题,对平行系统的功能需求、体系结构及关键技术等进行了详细的研究,运用框架思想详细探讨了平行系统方法在C4ISR系统决策支持领域的应用。本文积极借鉴吸收相关文献中的思想方法,研究平行系统方法在反导指挥信息系统决策支持领域的应用。

1 反导指控体系平行系统结构及特征

在反导指挥环节构建平行系统,目的在于预测目标弹道,评估作战方案,提供建议方案,为指挥员提供辅助决策支持。

1.1 反导体系结构

从功能架构的角度来讲,一个体系需具备一定的功能,方能完成特定的作战任务。从功能角度,可将反导体系分为不同的功能系统,各功能系统之间通过信息交互实现体系的整体反导作战效能。反导作战体系主要由情报探测系统、作战指挥系统和武器系统构成。其中,情报探测系统由具备情报探测功能的传感器装备组成,负责战场情报的侦测、收集、处理以及统一态势的生成;武器系统由火控系统及各类反导地空武器系统组成,负责跟踪锁定目标、引导防御武器拦截目标等任务;作战指挥系统是根据装备性能、作战任务人工设计的软件网络系统,统一调度战场各装备。

1.2 反导指控平行系统结构

面向反导指挥决策支持的平行系统结构即通过构建与反导指挥信息系统平行运行的指挥决策推演系统,与反导指挥信息系统进行信息交互,从实际指挥信息系统获取作战方案及战场态势信息,建立战场实体仿真模型,进行目标弹道预测和方案推演,计算效能评估指标,为指挥员提供辅助决策支持,及时调整作战方案,提高作战效能。参考文献[10],可以给出反导指挥信息系统平行系统如图1所示。

图1 反导指控系统平行系统示意图

构建作战方案推演系统,对作战指挥提供决策支持,主要通过以下步骤实现:

1)从情报保障系统获取战场实时态势信息,从作战指挥系统接收作战方案;

2)对战场态势进行外推计算,预测目标弹道;

3)根据预测弹道,结合战场实体模型,对作战方案进行推演,评估计算作战方案效能，并生成作战建议方案,供指挥人员参考。

反导作战对象是敌方各类弹道目标。一般而言,对弹道导弹威胁较大的是各类高性能远距离探测雷达,甚至可在其发射助推段就可探测获取其弹道参数,从而可较为精确地预测其弹道及落点,有针对性地制定作战方案。而且,弹道导弹飞行轨迹相对固定,作战任务在发射前就装订好,对防御方而言,战场态势预测的不确定性就大大减小。但是,弹道导弹飞行速度快,突防能力强,对反导作战指挥来讲,预警时间就比较短,时效性非常重要。

1.3 平行系统功能

综上所述,作战方案推演系统功能主要包括以下几方面:

1)态势信息接收与处理:构建作战方案平行系统,是为了预测目标弹道、评估作战方案,生成作战建议方案,需从反导指挥信息系统获取实时战场态势信息,即弹道目标属性及运动参数等情报信息,并能够及时计算预测弹道。

2)战场实体模型构建与修正:战场实体模型构建包括我方武器系统模型和敌方弹道导弹模型。我方武器系统模型主要包括武器型号、部署位置、作战范围、拦截能力、武器弹药储备等信息。敌方弹道导弹模型主要包括导弹型号、实时运动参数、诱饵弹、真实弹头等信息。战场实体模型是态势预测及方案推演评估的基础和必要条件,而战场实体在作战过程中又在不断发生变化,如武器系统的弹药消耗、作战损毁,敌目标释放诱饵、弹头弹舱分离等,所以,需要平行仿真系统需要持续获取最新态势信息,及时修正模型。

3)实时运行及交互能力:构建平等系统,是为了给反导指挥提供辅助决策支持,而反导作战具有极强的时效性,需要推演系统能够及时对作战方案推演评估及生成作战建议方案,能够计算目标预测弹道,并及时将计算结果反馈给反导指挥系统。

平行仿真系统功能组成及各功能模块之间的信息交互如图2所示。主要功能包括信息处理、实体建模、弹道预测及方案推演四个部分。

图2 平行系统功能组成及信息交互关系

2 关键技术分析

利用平行系统进行推演不同于传统意义上的推演,传统意义上的推演多指在实际装备上进行的计算机模拟试验,通过试验采集实际装备特征数据,构建离线模型,进行离线运行,以验证方案的可行性。而利用平行系统推演是作战方案在线推演及目标弹道在线预测计算,通过在线获取战场实体参数来修正模型,使得推演模型能够实时跟踪实际的战场实体模型。平行系统的构建有两项关键技术,即战场实体建模与修正技术及作战方案推演技术。

2.1 战场实体建模与修正

战场实体包括己方武器系统及敌方弹道目标。反导作战属动能拦截,即通过弹目相对运动撞击拦截,从而摧毁目标。而拦截导弹与目标弹道导弹都具有相当高的速度,相对运动速度可达每小时数千至上万公里。因此,建立较为精确的弹目运动模型至关重要。

1)反导武器系统模型。反导武器系统包括制导雷达及发射车等,构建反导武器系统模型需考虑各时间参数,如雷达制导时间、指令接收时间、点火发射时间等,再建立详细的拦截导弹运动学模型,根据敌方目标运动趋势,结合拦截要求及各时间参数,按照导引律实时调整运动方向与速度。

2)反导武器系统拦截能力模型。射击能力反应武器系统对目标的作战能力,包括射击密度、最大的射击持续时间、最大拦截正面宽度、可用拦截纵深、理想射击次数、理想射击目标数及杀伤区内任意区域杀伤概率等。

3)敌目标运动模型。敌方运动目标模型通过探测目标运动参数构建,构建敌目标运动模型的主要任务是预测目标运动轨迹及落点。因此,需获取目标的运动参数,准确识别并捕捉弹头,修正目标模型参数及运动参数,为拦截提供支撑。

2.2 作战方案推演

通过作战方案推演评估作战效能,验证作战方案,是平行系统的主要功能。由图2可知,作战方案推演环节需要战场态势、战场实体模型和作战方案三个要素,而且战场态势和战场实体模型是一个动态的过程。具体推演步骤为:

1)获取目标当前运动参数,预测目标运动轨迹及落点;2)对作战方案进行推演,记录交战数据,计算作战效能;

3)若目标运动趋势发生变化,则返回1)重新计算。

根据推演时效性要求,从作战方案生成到目标飞临火力单元发射区,在这段时间内完成推演评估。也可以依据作战效能要求,生成多套方案,推演评估后,优选出最佳方案作为作战指挥方案,即在作战方案生成到目标飞临火力单元发射区,完成方案推演评估及方案优选。

3 结束语

本文对平行系统思想在反导指挥控制中应用进行了可行性研究,详细分析了地面反导指控平行系统结构、工作流程、信息交互关系及关键技术等内容,为平行系统方法在反导指控的应用进行了探索。

[1] 肖金科, 王刚, 李为民，等. 区域反导目标分配模型优化分析[J].系统工程理论与实践, 2015, 35(4): 1027-1034.

[2] 朱祝华, 王毅增. 区域反导指控系统一体化研究[J].火力与指挥控制, 2009, 34(11): 1-4.

[3] 高嘉乐, 王刚, 王明宇. 防空反导战术级指控系统发展趋势[J].火力与指挥控制, 2015, 40(10): 1-4，8.

[4] 刘邦朝, 王刚, 刘昌云. 美军反导指控/作战管理与通信系统分析与启示[J].飞航导弹, 2014(4): 55-58.

[5] 姚勇, 李智. 基于DoDAF的反导指控系统体系结构模型研究[J].现代防御技术, 2011, 39(5): 87-95.

[6] 时小虎, 宋晋敏. 反导指控系统处理器与操作系统选用研究[J].现代防御技术, 2011, 39(4): 55-59.

[7] 王飞跃. 平行系统方法与复杂系统的管理与控制[J].控制与决策, 2004,19(5):485-489，514.

[8] 王飞跃,杨坚,韩双双等. 基于平行系统理论的平行网络架构[J].指控与控制学报, 2016,2(1):71-77.

[9] 邱晓刚,张志雄. 通过计算透视战争:平行军事体系[J].国防科技,2013,34(3):13-17.

[10]孙黎阳,楚威,毛少杰,等. 面向C4ISR系统决策支持的平行仿真框架[J].指控信息系统与技术,2015,6(3):56-61.

Application of Parallel System Method in Command and Control for Anti-missile System

CHEN Miao, SUN Qiang, WANG Dong-ke

(The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210007, China)

In order to increase productivity of decision making in anti-missile system. The command and control anti-missile system which uses parallel simulation method is presented, and the online deduction and effectiveness evaluation of battle plan is realized. According to requirement of battle plan online evaluation, parallel simulation method is used in the process of command and control for anti-missile, besides, according to the requirement of command and control for anti-missile fight, architecture of parallel simulation system is constructed. Furthermore, detailed analysis is demonstrated including working principle and function of parallel system, communication relation in process of battle plan simulation evaluation, requirement of system ability and key techniques.

parallel system; command and control; anti-missile; information interaction; modeling

2016-11-16

国家自然科学基金(61603359)

陈 淼(1981-)，男，江苏宿迁人，高级工程师，研究方向为指控系统建模。 孙 强(1987-)，男，助理工程师。 王东科(1987-)，男，工程师。

1673-3819(2017)01-0070-03

E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.01.015

修回日期： 2016-12-25